Mat lokkemad, kroger og ødelægger forurenende stoffer i vand

En polymermåtte udviklet på Rice University har evnen til at fiske biologisk skadelige forurenende stoffer fra vand gennem en strategi kendt som "agn, krog og ødelægge."

Tests med spildevand viste, at måtten effektivt kan fjerne målrettede forurenende stoffer, i dette tilfælde et par biologisk skadelige hormonforstyrrende stoffer, ved at bruge en brøkdel af den energi, der kræves af anden teknologi. Teknikken kan også bruges til at behandle drikkevand.

Måtten er udviklet af forskere med det ris-ledede Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) Center. Forskningen er tilgængelig online i tidsskriftet American Chemical Society Miljøvidenskab og -teknologi .

Måtten afhænger af evnen af ​​et almindeligt materiale, titandioxid, at opfange forurenende stoffer og, ved udsættelse for lys, nedbryde dem gennem oxidation til harmløse biprodukter.

Titandioxid bruges allerede i nogle spildevandsbehandlingssystemer. Det omdannes normalt til en gylle, kombineret med spildevand og udsat for ultraviolet lys for at ødelægge forurenende stoffer. Gyllen skal derefter filtreres fra vandet.

NEWT måtten forenkler processen. Måtten er lavet af spundne polyvinylfibre. Forskerne gjorde det meget porøst ved at tilføje små plastikperler, der senere blev opløst med kemikalier. Porerne tilbyder masser af overfladeareal til titaniumoxidpartikler at bebo og afvente deres bytte.

Måttens hydrofobe (vandundgående) fibre tiltrækker naturligt hydrofobe kontaminanter som de hormonforstyrrende stoffer, der blev brugt i testene. Når først bundet til måtten, udsættelse for lys aktiverer det fotokatalytiske titaniumdioxid, som producerer reaktive oxygenarter (ROS), der ødelægger forureningen.

Etableret af National Science Foundation i 2015, NEWT er et nationalt forskningscenter, der har til formål at udvikle kompakte, mobil, off-grid vandbehandlingssystemer, der kan give rent vand til millioner af mennesker, der mangler det, og gøre amerikansk energiproduktion mere bæredygtig og omkostningseffektiv.

NEWT-forskere sagde, at deres måtte kan rengøres og genbruges, skaleret til enhver størrelse, og dens kemi kan indstilles til forskellige forurenende stoffer.

"Nuværende fotokatalytisk behandling lider af to begrænsninger, " sagde Rice miljøingeniør og NEWT-centerdirektør Pedro Alvarez. "Den ene er ineffektivitet, fordi de producerede oxidanter bliver fanget af ting, der er meget mere rigeligt end målforureningen, så de ikke ødelægger forureningen.

"Sekund, det koster mange penge at tilbageholde og adskille gyllefotokatalysatorer og forhindre dem i at lække ud i det behandlede vand, " sagde han. "I nogle tilfælde, energiomkostningerne ved at filtrere den gylle er mere end det, der er nødvendigt for at drive UV-lysene.

"Vi løste begge begrænsninger ved at immobilisere katalysatoren for at gøre den meget nem at genbruge og bevare, " sagde Alvarez. "Vi tillader ikke, at det løber ud af måtten og påvirker vandet."

Alvarez sagde, at den porøse polymermåtte spiller en vigtig rolle, fordi den tiltrækker målforurenende stoffer. "Det er agnen og krogen, " sagde han. "Så ødelægger fotokatalysatoren forureningen ved at producere hydroxylradikaler."

"Porerne i nanoskala indføres ved at opløse en offerpolymer på de elektrospundne fibre, " sagde hovedforfatter og tidligere Rice postdoc-forsker Chang-Gu Lee. "Porerne forbedrer forureningens adgang til titaniumdioxid."

Forsøgene viste en dramatisk energireduktion sammenlignet med spildevandsrensning med gylle.

"Ikke kun ødelægger vi forurenende stoffer hurtigere, men vi reducerer også vores elektriske energi markant pr. reaktionsrækkefølge, " sagde Alvarez. "Dette er et mål for, hvor meget energi du skal bruge for at fjerne en størrelsesorden af ​​det forurenende stof, hvor mange kilowatttimer du skal bruge for at fjerne 90 procent eller 99 procent eller 99,9 procent.

"Vi viser, at for gyllen, når du går fra behandling af destilleret vand til spildevandsrensningsanlæg, den nødvendige mængde energi stiger 11 gange. Men når du gør dette med vores immobiliserede agn-og-krog fotokatalysator, den sammenlignelige stigning er kun to gange. Det er en betydelig besparelse«.

Måtten ville også gøre det muligt for behandlingsanlæg at udføre forureningsfjernelse og destruktion i to diskrete trin, hvilket ikke er muligt med gyllen, sagde Alvarez. "Det kan være ønskeligt at gøre det, hvis vandet er grumset, og lysindtrængning er en udfordring. Man kan fiske de forureninger, der er adsorberet af måtten, ud og overføre den til en anden reaktor med klarere vand. du kan ødelægge de forurenende stoffer, rengør måtten og returner den så den kan fiske efter mere."

Tuning af måtten ville involvere at ændre dens hydrofobe eller hydrofile egenskaber for at matche målforurenende stoffer. "På den måde kunne du behandle mere vand med en mindre reaktor, der er mere selektiv, og derfor miniaturisere disse reaktorer og reducere deres CO2-fodaftryk, " sagde han. "Det er ikke kun en mulighed for at reducere energibehovet, men også pladskrav til fotokatalytisk vandbehandling."

Alvarez sagde, at samarbejde mellem NEWTs forskningspartnere hjalp projektet med at komme sammen i løbet af få måneder. "NEWT gav os mulighed for at gøre noget, der hver for sig ville have været meget vanskeligt at opnå på denne korte tid, " han sagde.

"Jeg tror, ​​at måtten markant vil forbedre menuen, hvorfra vi vælger løsninger til vores vandrensningsudfordringer, " sagde Alvarez.